数码相机外壳模具结构及其成型工艺优化

傅建钢

(绍兴职业技术学院机电工程与交通学院, 浙江 绍兴，312000)

衡量注塑产品成型质量的主要指标有熔接痕、翘曲变形、飞边等。不同类型的产品对成型质量的指标有不同的要求。装配体需要将多个塑料件组装成一体，对于装配体而言，翘曲变形是一个非常重要的指标。许多研究者在减小翘曲变形上做了大量研究。季宁等[1]使用正交试验优化体积收缩率。傅建钢[2]分析了影响塑件质量的主要因素，提出了优化措施。陈晓春[3]对A柱内饰件进行分析，得出最佳工艺参数组合。陈泽中等[4]通过模拟明确了影响产品质量的重要原因。研究者使用了多项式响应面模型和神经网络模型的方法，建立了关系模型[5-7]。下面从优化相机外壳模具结构入手，建立正交试验方案，得到最优工艺参数组合，提高了产品质量。

1 模具结构优化设计

1.1 产品及材料分析

数码相机外壳如图1所示，外壳总体尺寸为94 mm×60 mm×13 mm，壳盖壁厚约为1.5 mm。该外壳为相机上盖，需要与其他零件进行装配，对产品的尺寸和形状都有较高的精度要求。

数码相机外壳材料选用Monsanto Kasei公司生产的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物(ABS)塑料(牌号为TFX-610-EB)，ABS塑料具有强度高、表面硬度大、光滑、易清洁处理和尺寸稳定等特点。

1.2 浇注系统优化设计

相机外壳表面质量要求较高，不能有浇口的痕迹，所以不能在产品表面设置点浇口。为了找出产品的较佳浇口位置，以侧浇口的方式分别设置单点浇口(方案1)、两点横向浇口(方案2)和两点纵向浇口(方案3)进行对比分析，3种浇口方案如图2所示，3种浇口方案的填充时间分析如图3所示。

由图3可以看出：方案3的填充时间最长，为0.951 s，方案2的填充时间最短，为0.942 s，3种方案均无短射情况；方案1单点浇口的压力最大，达到53.06 MPa，方案3两点纵向浇口的压力最低，达到34.82 MPa，两点横向浇口的压力比两点纵向浇口的压力稍高，达到41.02 MPa；方案1的熔接线较少，而两点浇口的2种方案的熔接线均较多，方案2和方案3的区别在于熔接线的位置不同，方案2的熔接线出现在产品较厚的区域，而方案3的熔接线出现在产品较窄区域，会导致产品的强度不够。因此，浇注系统设计选用方案2，即两点横向浇口方案。

1.3 冷却系统优化设计

根据产品结构特点，设计了2种冷却方案。一种是上下两侧分别设置冷却水路(冷却方案1)；另一种是在产品四周增加了冷却水路，产品背面使用了隔水板水路(冷却方案2)。冷却水路设计方案如图4所示。

分别对2种水路方案以默认工艺参数开展“流动+冷却+翘曲”分析，对受冷却回路影响最大的几项结果进行了对比，结果表明：冷却方案2的回路冷却液温差更小、达到顶出温度的时间(零件)更短、由冷却不均和收缩不均等引起的翘曲变形更小，冷却方案2的各项结果均优于冷却方案1，能够更好地满足生产要求。因此，冷却系统设计选择冷却方案2。

冷却方案2中由不同因素引起的翘曲变形，由收缩不均引起的翘曲变形为0.282 mm，而由冷却不均引起的翘曲变形仅为0.007 mm。可以看出，大部分变形均由收缩不均引起，而冷却不均对翘曲变形的影响可以忽略不计，即冷却系统的改变对翘曲变形的影响不大。如果想要减少收缩不均造成的翘曲值，可以尝试通过优化成型工艺参数来实现。

2 成型工艺参数优化

在影响产品翘曲变形的参数中，以熔体温度、模具温度、注射时间、保压压力占注射压力的百分比以及保压时间 5个参数为分析目标，分别用A，B，C，D，E表示。按5因素4水平设计了产品成型的正交试验分析方案，正交试验因素及水平如表1所示，正交试验方案及结果如表2所示。

表1 正交试验因素及水平

表2 正交试验方案及结果

由表2可以看出，保压压力的极差值最大，是影响翘曲变形最主要的因素，注射时间的影响次之，模具温度的影响最小。各因素对翘曲变形的影响大小依次为：保压压力占注射压力的百分比>注射时间>熔体温度>保压时间>模具温度。结合均值分析，得到最佳工艺参数组合为：A4B4C4D4E4，即熔体温度为270 ℃、模具温度为75 ℃、注射时间为2.5 s、保压压力占注射压力的110%、保压时间为19 s。

各因素与翘曲值的关系如图5所示。

由图5可以看出：在一定的温度范围内，随着熔体温度的增加，翘曲变形逐渐减小；模具温度与翘曲变形的关系较为复杂，随着模具温度的增加，翘曲变形逐渐减小，当模具温度达到一定值时，翘曲变形又逐渐变大，随后翘曲值又逐渐减小；翘曲变形随着注射时间的增加而减小，当注射时间较短时，塑料熔体在模具型腔中的流动速率会更快，分子间的剪切作用越大，导致分子间产生严重的取向问题，进而造成严重的收缩不均，产生较大的翘曲变形；在一定压力范围内，翘曲变形随着保压压力占注射压力的百分比增大而减小，保压的作用在于补充收缩和防止倒流，保压压力较高时，通过补缩能够增大密度，减小成型收缩，进而可以减小因收缩而引起的翘曲变形；随着保压时间的增加，翘曲变形逐渐减小，当保压时间达到一定值后，翘曲变形维持在较低水平，这是因为当保压时间到达一定值之后，浇口处逐渐凝固，无法对模具型腔进行保压补缩，再增加保压时间无法达到减小翘曲变形的目的。

3 试验验证

分析得到的最佳工艺参数组合为A4B4C4D4E4，该组合不在正交试验组合中，故需用模流分析软件进行分析。以熔体温度270 ℃、模具温度75 ℃、注射时间2.5 s、保压压力占注射压力的110%、保压时间19 s为参数进行分析，得到该组工艺参数下产品的翘曲值为0.177 mm，该翘曲值比正交试验得到的翘曲值还小，分析结果如图6所示。相比于模具结构优化后得到的较佳翘曲值0.282 mm，模流分析得到的最佳翘曲值减小了0.105 mm，降幅高达37.3%，达到了优化目的。

采用优化得到的最佳工艺参数组合进行试验验证，通过对试验后得到的产品进行检测，该数码相机外壳的最大翘曲值为0.181 mm。该试验检测值与模流分析得到的翘曲值仅相差0.004 mm，两者具有较高的一致性。

4 结论

a) 设计了3种浇注方案和2种冷却方案，确定了最佳浇注方案和冷却方案，明确了大部分翘曲变形由收缩不均引起，而非冷却不均引起。

b) 运用正交试验分析，获得了产品成型的最佳工艺参数：熔体温度270 ℃，模具温度75 ℃，注射时间2.5 s，保压压力占注射压力的110%，保压时间19 s。采用最佳工艺参数进行产品成型试验，塑件的翘曲值为0.181 mm。该值与模流分析得到的翘曲值仅相差0.004 mm，两者具有较高的一致性，实现了降低产品翘曲值的目的。